KR0174390B1 - Efg법에 의한 단결정 성장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 EFG(Edge Defined Film Fed Growth)법에 의해 단결정을 성장시키는 장치에 관한 것으로서, 특히 도가니 내부에 다수개의 모세관이 형성된 모세관다이를 형성하고 그 외부로 융액의 표면을 가압할수 있는 실린더를 설치하여 대형의 단결정을 성장시킬수 있도록 한 것에 관한 것이다.

구체적으로는, 컴퓨터(1)에 인상장치 (2)및 고주파가열장치(3)를 연결하여 결정(13)의 인상 및 도가니(6)내의 온도가 제어되도록 하며, 상기 인상장치(2)에는 종자결정(5)이 부착된 인상축(4)을 설치하여 모세관 현상을 이용하여 용액으로부터 결정(13)을 성장시킬수 있도록 하며, 상기 컴퓨터(1)에는 실린더 수직이동 장치(11)를 연결하고, 상기 실린더 수직이동장치(11)에는 원통형 실린더(12)를 설치하여 용액(14)의 표면이 하강하여 융액의 압력이 저하되는 것을 보상해줄수 있도록 하며, 상기 도가니(6)의 내부에는 다수개의 원통형 모세관(9)이 형성된 모세관 다이(8)를 설치하고, 상기 모세관 다이(8)의 저면에는 용액유입공(10)를 다수개 천공시킨 것으로서, 간단한 장치로 대형의 결정을 성장시킬수 있도록 한 것이다.

Description

EFG법에 의한 단결정 성장 장치

제1도는 종래의 EFG(Edge Defined Film Fed Growth)법에 의한 단결정 성장 장치의 개략도.

제2도는 종래의 쵸크랄스키(Cwochralski)법에 의한 단결정 성장 장치의 개략도.

제3도는 본 발명의 EFG법에 의한 단결정 성장 장치의 개략도.

제4도는 본 발명의 요부인 모세관 다이의 형태를 나타낸 일실시 예시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 컴퓨터 2 : 인상장치

3 : 고주파가열장치 4 : 인상축

5 : 종자결정 6 : 도가니

7 : 고주파코일 8 : 모세관다이

9 : 모세관 10 : 용액유입공

11 : 수직이동장치 12 : 원통형실린도

본 발명은 EFG(Edge Defined Film Fed Growth)법에 의해 단결정을 성장시키는 장치에 관한 것으로서, 특히 도가니 내부에 다수개의 모세관이 형성된 모세관다이를 형성하고 그 외부로 융액의 표면을 가압할수 있는 실린더를 설치하여 대형의 단결정을 성장시킬수 있도록 한 것에 관한 것이다.

종래의 EFG법에 의한 결정성장 장치는 제1도에 도시한 바와같이 컴퓨터(1)에 인상장치 (2)및 고주파가열장치(3)를 연결하여 결정(13)의 인상 및 도가니(6)내의 온도가 제어되도록 하되, 상기 인상장치(2)에는 종자결정(5)이 부착된 인상축(4)을 설치하고, 도가니(6)내부에 판상형의 모세관다이(15)를 설치하여, 용융된 원료를 모세관 현상에 의하여 모세관다이(15)의 상단에 올라온 용액(14)과 접촉시켜 서서히 인상시키면 모세관다이(15)와 동일한 형태의 단결정(13)을 성장시킬수 있는 방법이었다.

이러한 종래의 EFG법을 사용하여 단결정을 성장시킬 경우 성장되는 단결정의 형태는 주로 판상의 것이었으나, 결저성장장치가 상대적으로 간단하며, 모세관 다이(15)의 형태에 따라 결정의 모양을 결정할수 있으므로 별도의 결정형태 제어장치가 필요없이 여러가지 형태의 결정을 다양하게 성장시킬수 있는 장점이 있었다.

그러나, 상기와 같은 EFG법으로는 대형의 단결정을 성장시킬수 없어, 덩어리 형태의 단결정이 필요할 경우에는 사용할 수 없었다.

따라서, 대형의 단결정을 성장시키기 위해 종래에는 제2도에 도시한 바와 같은 쵸크랄스키법(이하 Cz법 이라함)에 의한 단결정 성장 방법을 사용하였다.

이의 원리는 도가니(6’)의 내부에 원료를 담아 열을 가하여 용융시킨 후 융액(14’)의 표면에 종자결정(5’)를 접촉시켜 서서히 회전,인상시키면서 도가니의 온도를 점차적으로 낮추어 줌으로써 원통형의 단결정을 성장시키는 방법으로 이루어진다. 또한 근래에는 수동작업에 의한 결정직경 제어방법을 개선하여 무게측정장치(17)와 컴퓨터(1’)를 이용하여 원하는 형태와 크기로 결정을 성장시킬 수 있는 자동직경 제어방법을 쵸크랄스키법에 응용하여 사용하고 있다.

상기와 같은 Cz법에 의한 결정의 성장 장치는 대형의 원통형 단결정을 비교적 빠른시간에 재현성 좋게 성장시킬수 있으나, 용융된 원료에 종자결정(5’)을 접촉시켜 서서히 회전, 인상시키는 방법을 사용하므로 결정(13’)의 직경을 일정하게 제어하기 위하여 복잡하며 고가인 전자장치를 사용하여야 하며, 까다로운 결정성장 기술이 필요로 하게 된다.

따라서, 종래의 EFG법에 의한 성장장치는 주로 판상형의 것을 손쉽게 얻을수 있으나, 원통형과 같은 대형 단결정을 성장시킬수 없었고, Cz법에 의한 단결정 성장장치는 우너통형의 대형 단결정을 성장시킬수 있었으나, 단결정의 성장장치 구조가 복잡하며 고가인 결정성장 장치를 사용하여야 하며, 결정성장 방법이 까다로운 단점이 있었고, 원통형 이외의 사각형 등과 같은 다각형의 결정성장이 불가능 하였다.

따라서, 본 발명은 종래의 EFG법에 의한 성장장치의 구조를 개선하여 단결정을 성장시킴으로서, 종래의 Cz법에 의하여 성장시킨 단결정의 크기와 동일하면서도 다양한 형태의 단결정을 성장시킬수 있도록 하고, Cz법을 사용하였을 경우보다 결정성장 공정을 간략화 시킬수 있어 보다 간편하며 용이한 방법으로 결정을 성장시킬수 있도록 하는 단결정 성장 장치를 제공함에 목적이 있는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 특징은, 원료를 용융시키는 도가니 내에 설치된 직경 0.1~0.5mm의 원통형관을 다수개 형성시킨 모세관 다이와, 결정을 서서히 인상시키는 결정인상장치와 결정성장이 진행되어 용액의 표면이 내려감에 따라 저하되는 융액의 압력을 보완시켜주는 수직이동장치에 설치된 원통형 실린더와, 도가니내의 온도를 조절하는 온도조절장치로 구성된 것으로서, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

제3도에 도시한 바와같이, 컴퓨터(1)에 인상장치(2) 및 고주파 가열장치(3)를 연결하여 결정(13)의 인상 및 도가니(6)내의 온도가 제어되도록 하며, 상기 인상장치(2)에는 종자결정 (5)이 부착된 인상축(4)을 설치하여 결정(13)을 성장시킬수 있도록 하며, 상기 컴퓨터(1)에는 실린더 수직이동 장치(11)를 연결하고, 상기 실린더 수직이동장치(11)에는 원통형 실린더(12)를 설치하여 용액(14)의 표면이 하강하여 용액의 압력이 저하되는 것을 보상해줄수 있도록 하며, 상기 도가니(6)의 내부에는 다수개의 원통형 모세관(9)이 형성된 모세관 다이(8)를 설치하고, 상기 모세관 다이(8)의 저면에는 융액유입공(10)를 다수개 천공시킨 구조로 된 것이다.

이때, 모세관(9)의 재질은 원료보다 용융점이 높으면서 화학적으로도 안정되고, 모세관 현상으로 융액이 모세관의 끝까지 올라갈수 있는 이리듐(Ir), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo)등을 사용하며, 모세관(P)의 직경은 0.1~0.5mm가 되도록 하여, 모세관 다이(8)의 상면이 융액(14)면보다 낮게 되더라도 모세관 현상에 의해 모세관(9)의 상단에 융액(14)면보다 낮게 되더라도 모세관 현상에 의해 모세관(9)의 상단에 융액(14)이 항상 올라온 상태로 유지되도록 한다.

그리고, 모세관 다이(8)의 형상은 성장시키고자 하는 결정의 형상에 따라 삼각형, 사각형, 원형, 타원형 등의 모양으로 형성시키면 원하는 형상의 결정을 성장시킬수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 도가니(6)에 원료(예를 들면 Al₂O₃, LiTaO₃, LiNbO₃, YAG, GGG 등)를 넣고 고주파 가열장치(3)로 도가니(6)를 가열하여 원료를 용융시키면 모세관(9)의 끝에는 모세관 현상에 의하여 원료가 올라온 상태로 유지된다. 이러한 상태에서 종자결정(5)을 모세관 다이(8)의 중앙에 접촉시켜 종자결정이 더이상 용융되지도 않고 종자결정주위에 결정이 달라붙지도 않을 정도의 온도를 유지시키면 결정성장이 시작될수 있는 준비단계가 이루어진다.

이와같이 성장로내의 열평형이 안정적으로 유지된 상태에서 종자결정 (5)을 일정한 속도로 서서히 인상시키면서 성장로내의 온도를 조금씩 내려주면 종자결정의 직경과 길이가 증가하게 되고, 성장되는 결정(13)의 직경이 모세관 다이(8)의 직경가 거의 일치하게 되면 성장로내의 온도를 일정하게 유지시켜 줌으로써 어떠한 다른 장치가 필요없이 모세관다이(8)의 크기와 동일한 형태로 결정성장을 진행시킬수 있다. 원하는 길이만큼 결정(13)이 성장되면 도가니(6)내의 온도를 상승시키며 결정인상속도를 결정성장시의 인상속도보다 약 5~10배 증가시켜 결정의 끝부분이 모세관다이(8)와 분리되도록 한 후 도가니(6)내의 온도를 서서히 냉각시켜 상온에 이르게 되면 결정성장이 끝나게 된다. 한편 결정성장이 진행됨에 따라서 융액(14)면의 높이가 내려가게 되므로 융액면과 모세관다이(8) 끝과의 높이차가 증가하게 되어 종국에는 용액이 모세관(9)의 끝까지 올라갈수 없게 된다. 이러한 현상을 제거하기 위하여 속이 빈 원통형실린더(12)와 수직이동장치(11)를 사용하여 융액(14)면의 하강속도에 비례적으로 하강시켜 융액을 눌러주면 모세관 다이(8)의 끝과 융액면의 높이차를 일정하게 유지시킬수 있다.

상기와 같이 본 발명에 의하여 개선된 EFG법을 사용함으로써 종래의 EFG법에 의하여 얻을 수 없었던 대형의 원통형 단결정을 성장시킬수 있다. 또한 종래의 Cz법에 의한 단결정성장법을 사용할 경우 복잡하며 고가인 결정성장장치를 사용하여야 하며 결정성장 방법이 까다로왔으나, 본 방법을 사용함으로써 단결정성장시 결정의 직경제어가 필요없으므로 저렴한 가격의 단결정성장장치를 사용할 수 있고 상대적으로 간단한 결정성장절차를 사용하면서도 Cz법과 동일한 형태와 크기를 갖는 단결정을 성장시킬수 있다. 또한 보통 Cz법을 사용하여 성장시킬수 있는 결정의 무게는 원료의 60~70%인 것에 비하여 본 발명에 의하여 성장시킬 수 있는 결정의 무게는 원료의 80~90%까지도 가능하므로 결정성장효율이 우수하며 결정의 계면이 항상 편평하므로 결정성장시 결정의 내부에 응력이 적게 형성되어 좋은 품질의 결정을 얻을 수 있게 된다. 또한 이 방법을 사용하면 사각형, 삼각형, 타원형 막대형태의 결정을 성장시킬 수도 있어 Cz법으로는 성장시킬수 없는 다양한 형태의 결정성장도가 가능하게 되는 등의 효과가 있는 발명인 것이다.

Claims (3)

1. 컴퓨터(1)에 인상장치(2) 및 고주파 가열장치(3)를 연결하여 결정(13)의 인상 도가니(6)내의 온도가 제어되도록 하며, 상기 인상장치(2)에는 종자결정(5)이 부착된 인상축(4)을 설치하여 모세관 현상을 이용하여 융액(14)으로 부터 결정(13)을 성장시키는 EFG법에 의한 단결정 성장 장치에 있어서, 도가니(6)의 내부에는 다수개의 원통형 모세관(9)이 형성되고, 저면에는 용액유입공(10)을 다수개 천공시킨 형태의 모세관 다이(8)를 설치하고, 상기 컴퓨터(1)에는 실린더 수직이동 장치(11)를 연결하고, 상기 실린더 수직이동장치(11)에는 원통형 실린더(12)를 설치하여 용액(14)의 표면이 하강하여 용액의 압력이 저하되는 것을 보상되도록 한 것을 특징으로 하는 EFG법에 의한 단결정 성장장치.
2. 제1항에 있어서, 모세관(9)의 재질을 이리듐(Ir), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo)중 어느하나로 형성시킨 것을 특징으로 하는 EFG법에 의한 단결정 성장장치.
3. 제1항에 있어서, 모세관(P)의 직경이 0.1~0.5mm가 되도록 형성시킨 것을 특징으로 하는 EFG법에 의한 단결정 성장장치.